Квантовая физика в наших телах

“Азот в наших ДНК, кальций в наших костях, железо в нашей крови,  углерод в наших яблочных пирогах созданы в недрах умирающих звезд.  Мы все сотворены из звездной пыли”  — Карл Саган, астроном, астрофизик, популяризатор науки

Почти четырнадцать миллиардов лет назад, когда горячая плотная точка, которой тогда была нашей Вселенной, стала быстро расширяться, вся материя и антиматерия, которые существовали, должны были аннигилировать и оставить после себя только энергию. И все же небольшое количество материи сохранилось.

В итоге мы оказались в мире, наполненном элементарными частицами. И это не просто какие-то частицы — а частицы, чьи массы и заряды были достаточно точными, чтобы позволить человеку жить. Вот несколько фактов о физике частиц, которая присутствует в вас прямо сейчас.

Частицы, из которых мы состоим

Около 99 процентов вашего тела состоит из атомов водорода, углерода, азота и кислорода. Вы также содержите гораздо меньшее количество других элементов, которые необходимы для жизни.

Хотя большинство клеток вашего тела восстанавливаются через несколько лет, многие частицы, из которых состоят сами эти клетки, фактически существуют миллионы тысячелетий.

Атомы водорода в вашем теле были созданы в результате Большого взрыва, а атомы углерода, азота и кислорода — в звездах.

Очень тяжелые элементы в вас были созданы во взрывающихся звездах — сверхновых.

Размер атома определяется средним расположением его электронов. Ядра примерно в 100 000 раз меньше атомов, в которых они размещены. Если бы атомное ядро ​​было размером с арахис, атом был бы размером с футбольное поле.

Если бы мы вдруг потеряли все пустое пространство внутри наших атомов, каждый из нас смог бы поместиться в частицу пыли, а весь человеческий род вписался бы в объем одного сахарного кубика.

Ученые подсчитали, что человек весом 70 кг содержит около 6,5 октиллионов (это 6 500 000 000 000 000 000 000 000 000) атомов. Подавляющее большинство из них — водород (человек почти полностью состоит из воды, состоящей из двух атомов водорода и кислорода). Согласно расчетам, около четверти ваших атомов составляют атомы кислорода, десятая часть — углерод и еще 1 процент — азот — все элементы образуются в недрах звезд.

Масса тела

Как вы можете догадаться, эти разнесенные частицы составляют лишь крошечную часть вашей массы. Протоны и нейтроны внутри ядра атома состоят из трех кварков.

Масса кварков, возникающая в результате их взаимодействия с полем Хиггса, составляет всего несколько процентов от массы протона или нейтрона. Глюоны, носители сильной ядерной силы, которая удерживает эти кварки вместе, совершенно безмассовые.

Если ваша масса не исходит от массы этих частиц, тогда откуда она появляется?

Ответ — из энергии. Ученые считают, что почти вся масса вашего тела происходит от кинетической энергии кварков и энергии связи глюонов.

Частицы, которые мы производим

Ваше тело представляет собой небольшую фабрику радиоактивных частиц. Вы получаете дозу в 40 миллирем в год от естественной радиоактивности, возникающей внутри вас. Такое же количество радиации вы получите, если сделаете четыре рентгеновских снимка грудной клетки.

Уровень вашей дозы облучения может увеличиваться на один или два миллирема за каждые восемь часов, которые вы проводите, когда спите рядом с вашим столь же «радиоактивным» близким человеком.

Вы излучаете радиацию, потому что многие продукты, которые вы едите, напитки, которые вы пьете, и даже воздух, которым вы дышите, содержат радионуклиды, такие как калий-40 и углерод-14. Они включаются в ваши молекулы и в конечном итоге распадаются и производят излучение в вашем теле.

Когда калий-40 разлагается, он выделяет позитрон, двойник антивещества электронов, так что вы также содержите небольшое количество антивещества. Средний человек производит более 4000 позитронов в день, около 180 в час. Но сразу после этого позитроны врежутся в ваши электроны и аннигилируют в излучение в форме гамма-лучей.

Частицы, с которыми мы встречаемся

Радиоактивность, излучаемая внутри вашего тела, представляет собой лишь часть излучения, с которым вы естественным образом (и безвредно) сталкиваетесь каждый день. Средний человек получает дозу облучения около 400-500 миллирем в год. Пища, которую вы едите, дом, в котором вы живете, камни и почва, по которой вы ходите, подвергают вас воздействию низкого уровня радиоактивности.

Космические лучи, высокоэнергетическое излучение из космоса, постоянно попадают в атмосферу Земли. Там они сталкиваются с другими частицами и производят мезоны, многие из которых распадаются на частицы, такие как мюоны и нейтрино.

Все они попадает на поверхность Земли и проходит через вас. Они добавляют около 27 миллирем к вашей годовой дозе радиации. Эти космические частицы могут иногда нарушать нашу генетику, вызывая небольшие мутации, и могут быть фактором, способствующим эволюции.

В дополнение к бомбардировке нас фотонами, Солнце также выпускает поток частиц, называемых нейтрино. Нейтрино — это постоянные посетители в вашем теле, которые проникают сквозь него в количестве почти 100 триллионов нейтрино в секунду.

Некоторые нейтрино существуют с первых нескольких секунд рождения Вселенной, они даже старше ваших собственных атомов. Но эти частицы настолько слабо взаимодействуют с веществом, что проходят сквозь вас, не оставляя никаких признаков взаимодействия.

Вы также, вероятно, сталкиваетесь с постоянным потоком частиц темной материи. Темная материя не излучает, не отражает и не поглощает свет, что затрудняет ее обнаружение, однако ученые считают, что она составляет около 80 процентов вещества во Вселенной.

Глядя на плотность темной материи во всей вселенной, ученые подсчитали, что сотни тысяч этих частиц могут проходить сквозь вас каждую секунду, сталкиваясь с вашими атомами примерно раз в минуту. Но темная материя практически не взаимодействует с веществом, из которого вы состоите, поэтому вряд ли она оказывает какое-либо заметное влияние на ваше тело.

В следующий раз, когда вам станет интересно, как физика элементарных частиц применима к вашей жизни, просто мысленно загляните внутрь себя и подумайте что — «Мы все рождены из звезд».

Предыдущая версия этой статьи была опубликована в ноябре 2019 года.